復(fù)合土工膜在土石壩防滲工程中的運(yùn)用

漆 鶴 董 睿 王 維 陸彥平

（六盤(pán)水市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 貴州省六盤(pán)水市 553000）

復(fù)合土工膜在土石壩防滲工程中的運(yùn)用

漆 鶴 董 睿 王 維 陸彥平

（六盤(pán)水市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 貴州省六盤(pán)水市 553000）

土石壩歷史悠久，運(yùn)用廣泛，近年來(lái)，復(fù)合土工膜作為土石壩的防滲體，材料及工程技術(shù)都有極大發(fā)展，運(yùn)用越來(lái)越廣泛。本文主要介紹復(fù)合土工膜的力學(xué)特性及其在土石壩防滲中的運(yùn)用、發(fā)展前景。

土石壩；防滲體；復(fù)合土工膜

1 復(fù)合土工膜介紹

1.1 土石壩的主要防滲材料

土石壩是由土石料經(jīng)過(guò)碾壓或拋填等方法筑成的擋水建筑物，一般采用土、砂或者石塊等材料構(gòu)成大壩主體，由黏性土或混凝土等不透水材料構(gòu)成大壩的防滲體。土石壩壩體填筑材料一般可以就地取材，由于壩體具有柔性，較能適應(yīng)地基變形，因此對(duì)地基的地質(zhì)條件要求比混凝土壩和砌石壩等剛性壩要低。土石壩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，工作可靠，便于維修，施工技術(shù)也較為容易，便于機(jī)械化快速施工，因此是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的一種壩型。土石壩按照防滲體的類(lèi)型，可以分為均質(zhì)壩、黏土心墻或斜墻壩、混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土防滲體土石壩等主要類(lèi)型。

1.2 土工膜作為防滲材料的運(yùn)用

土工膜作為水庫(kù)防滲材料始于桓仁水電站，1967年，遼寧省桓仁水電站采用土工膜粘貼鉚固在上游壩面并用混凝土保護(hù)，防止混凝土寶石型懸臂頭裂縫漏水，揭開(kāi)土工膜在國(guó)內(nèi)大壩防滲序幕。1980年后，我國(guó)工程技術(shù)人員對(duì)土工膜產(chǎn)品性質(zhì)規(guī)格和應(yīng)用情況有了進(jìn)一步的研究。近年來(lái)，復(fù)合土工膜防滲在中小型水庫(kù)土石壩加固工程中運(yùn)用廣泛，具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.3 復(fù)合土工膜

土工膜是有聚合物（含瀝青）制成的相對(duì)不透水層，土工織物是具有透水性的土工合成材料。復(fù)合土工木：土工膜和土工織物（有紡或無(wú)紡）或其他高分子材料兩種或兩種以上的材料的復(fù)合制品。與土工織物復(fù)合時(shí)，可以生產(chǎn)出一布一膜、二布一膜（兩層織物夾一層膜）等規(guī)格，一般標(biāo)記為xxg（布）/xxmm（膜）/xxg（布）。土工膜主要材料為聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酯（PER）、聚酰胺（PA）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚錄乙烯（PVC）等。

2 復(fù)合土工膜主要力學(xué)性能指標(biāo)

在復(fù)合土工膜的物理性能、力學(xué)性能、水力學(xué)性能、耐久性能中，工程實(shí)際應(yīng)用中，主要研究其力學(xué)性能。力學(xué)性能主要測(cè)試指標(biāo)為拉伸、握持拉伸、撕裂、頂破、CBR頂破、刺破、漲破等強(qiáng)度和直剪摩擦、拉拔摩擦等。工程技術(shù)人員較為關(guān)注的是土工膜的抗拉特性及摩擦特性。

2.1 復(fù)合土工膜的抗拉特性

作為一種性能優(yōu)良的新型防滲材料，復(fù)合土工膜具有一定的抗拉和延伸能力，不具有抗彎特性，在工程中大多通過(guò)其抗拉強(qiáng)度來(lái)承受荷載以發(fā)揮其工程作用。工程實(shí)踐證明，復(fù)合土工膜有很好的不透水性和適應(yīng)變形的能力，能承受不同的施工條件和工作應(yīng)力，具有良好的耐老化能力。目前測(cè)定復(fù)合土工膜的抗拉強(qiáng)度主要是沿用紡織品條帶拉伸試驗(yàn)方法，即把試樣兩端用夾具夾住，以一定的速率施加荷載進(jìn)行拉伸直到破壞，測(cè)得試樣自身的斷裂強(qiáng)度及其變形，并繪出應(yīng)力一應(yīng)變曲線。根據(jù)復(fù)合土工膜拉伸曲線，其受力變形關(guān)系為T(mén)=J（ε）ε，式中，T為土工膜單寬拉力，單位為kN/m；ε為土工膜拉應(yīng)變，J（ε）為抗拉模量。由此實(shí)驗(yàn)測(cè)出的極限抗拉強(qiáng)度T用于設(shè)計(jì)時(shí)，需按下式予以折減：

式中：Ta——材料許可拉抗拉強(qiáng)度，kN/m；

T——材料極限拉抗拉強(qiáng)度，kN/m；

FiD——考慮鋪設(shè)時(shí)機(jī)械破壞影響系數(shù)；

FcR——考慮材料蠕變影響系數(shù)；

FcD——考慮化學(xué)劑破壞影響系數(shù)；

FbD——考慮生物破壞影響系數(shù)。各系數(shù)根據(jù)制定的相關(guān)規(guī)范查閱，系數(shù)乘積（FiDFcRFcDFbD）宜采用2.5～5.0.

2.2 復(fù)合土工膜的摩擦特性

復(fù)合土工膜的摩擦特性是指復(fù)合土工膜與墊層、保護(hù)層之間的摩擦角、粘聚力，以及其他一些力學(xué)特性。當(dāng)?shù)虊蔚姆罎B結(jié)構(gòu)采用復(fù)合土工膜斜墻式時(shí)，堤壩迎水坡坡度除滿足自身的抗滑穩(wěn)定外，還應(yīng)當(dāng)核算沿復(fù)合土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面之間的抗滑穩(wěn)定性，而且由此決定了堤壩壩坡的陡緩，因此對(duì)于復(fù)合土工膜與墊層材料摩擦特性的研究具有重要的工程意義。復(fù)合土工膜與墊層材料之間的摩擦角和粘聚力是維持其自身穩(wěn)定的主要因素，而它們之間的摩擦特性與土的顆粒形狀、大小、緊密程度和復(fù)合土工膜的種類(lèi)、密度以及其厚度等因素有關(guān)。同時(shí)，試驗(yàn)的摩擦系數(shù)與試驗(yàn)方法和試驗(yàn)時(shí)的正應(yīng)力大小、側(cè)限條件等因素有關(guān)，以上因素的存在加大了邊坡穩(wěn)定計(jì)算的復(fù)雜性。

一般情況下，復(fù)合土工膜與接觸料（粗礫石、天然砂、人工配料、混凝土結(jié)構(gòu)面、粗粒料等）之間的摩擦系數(shù)小于接觸料自身的摩擦系數(shù)，因此，土石壩復(fù)合土工膜防滲體的穩(wěn)定性主要是指斜鋪復(fù)合土工膜與其相鄰的土石料之間的穩(wěn)定，即復(fù)合土工膜與上保護(hù)層及其下墊層之間的平面抗滑穩(wěn)定。復(fù)合土工膜與土、砂和卵石間的摩擦系數(shù)小。在透水料壩坡上鋪設(shè)土工膜，危險(xiǎn)滑動(dòng)面在土工膜與上保護(hù)層之間，而是土工膜與下面墊層之間滑動(dòng)的可能性不大，因?yàn)閴误w透水性強(qiáng)，土工膜和墊層之間不會(huì)滯留水。土工膜安全系數(shù)由下式計(jì)算：

式中：δ——上墊層土料與土工膜之間的摩擦角，（°）；

f——上墊層土料與土工膜之間的摩擦系數(shù)；

α——土工膜鋪放角度，（°）；

該安全系數(shù)必須滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的要求。對(duì)于壩坡較為陡峭的土石壩壩面，可以采取工程措施增大土工膜與其上、下接觸面的摩擦力以維持穩(wěn)定，圖涂刷瀝青或水泥砂漿等。

3 復(fù)合土工膜的在土石壩防滲工程中運(yùn)用

復(fù)合土工膜用于土石壩中的典型防滲方式包括：①壩體斜墻防滲；②壩體心墻防滲，見(jiàn)圖1。

圖1 土工膜防滲形式

3.1 典型防滲方式

3.1.1 壩體斜墻防滲

復(fù)合土工膜鋪設(shè)在上游是最常采用的方法。其優(yōu)點(diǎn)主要有：施工方便，鋪設(shè)土工膜可以在壩體填筑完工后進(jìn)行，無(wú)干擾；膜能夠適應(yīng)坡面變形，不致破裂；維修或更換容易。但是相應(yīng)缺點(diǎn)也比較明顯：為防外界因素（如紫外線、風(fēng)力、水力及水中漂浮物撞擊和人畜破壞等）的影響，需要設(shè)置防護(hù)層和墊層；存在膜和墊層及防護(hù)層的結(jié)合及穩(wěn)定問(wèn)題；和岸邊接縫較長(zhǎng)，處理困難。

3.1.2 壩體心墻防滲

土工膜安裝在壩體內(nèi)部是不多見(jiàn)的，因?yàn)樵诨靥钔羶?nèi)鋪設(shè)圖公墓施工極不方便，相互影響，為適應(yīng)土工膜變形，一般將土工膜采用“之”字形鋪設(shè)，故膜材料用量不比斜墻少，如往返折角為60°的時(shí)候，膜材料用量集合1：2邊坡相同。但心墻方案有如下優(yōu)點(diǎn)：不受外界因素影響，不必考慮老化問(wèn)題，不受波浪和漂浮物的裝機(jī)等；不需驗(yàn)算因土工膜而產(chǎn)生的邊坡穩(wěn)定問(wèn)性；和周?chē)镀逻B接縫較短。

3.2 防滲層結(jié)構(gòu)

復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)包括防滲材料的上墊層、下墊層、上墊層保護(hù)的防護(hù)層、下墊層下部的支持層，如圖2。

圖2 土工膜防滲結(jié)構(gòu)

3.2.1 防護(hù)層

防御波浪淘刷、風(fēng)沙吹蝕、人畜破壞、冰凍損壞、紫外線輻射、風(fēng)力掀動(dòng)以及膜下水壓力頂托浮起等。常用面層類(lèi)型有：預(yù)制混凝土板、現(xiàn)澆混凝土板、鋼筋網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)混凝土板、干砌石或漿砌石等。實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)面層和土工膜類(lèi)型，選用不同的墊層。

某些情況下，可以不設(shè)置防護(hù)層：①防滲材料位于主體工程內(nèi)部；②防滲材料有足夠的強(qiáng)度和抗老化能力，且有專(zhuān)門(mén)管理措施；③防滲材料用作面層，更換面層在經(jīng)濟(jì)上比較合理。

3.2.2 上墊層

為保護(hù)復(fù)合土工膜不被刺破，在有些防護(hù)層下設(shè)下墊層。透水墊層除了直接保護(hù)土工膜外，還可以及時(shí)排除土工膜以上的水，對(duì)防護(hù)層穩(wěn)定有力。上墊層材料可以采用砂礫料、無(wú)砂混凝土、瀝青混凝土、土工織物或土工網(wǎng)等。當(dāng)防護(hù)層為壓實(shí)細(xì)粒土，且有足夠的厚度，可以不設(shè)上墊層。

3.2.3 下墊層

土工膜是柔性的，需要墊層的支持。下墊層的作用是使土工膜受理均勻，以免受到局部集中應(yīng)力的順壞，并且有排水、排氣作用。下墊層材料可以采用厚度不小于15cm的碾壓密實(shí)的細(xì)礫石或、土工網(wǎng)或土工格柵等。復(fù)合土工膜的無(wú)紡?fù)凉た椢?，可以作為坡面的濾層和排水層，增大土工膜與土之間的摩擦力，保護(hù)土工膜免受機(jī)械損壞。

3.2.4 支持層

堆石壩上游面用土工膜防滲，膜下應(yīng)鋪設(shè)墊層和過(guò)渡層，兩層合成支持層。先將堆石體上游面基本整平，鋪碎塊石過(guò)渡層最大粒徑15cm左右，最小粒徑5cm左右。過(guò)渡層與堆石層級(jí)配應(yīng)滿足一定關(guān)系。

4 復(fù)合土工膜的前景展望

復(fù)合土工膜運(yùn)用到水庫(kù)大壩防滲至今已經(jīng)有50多年，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在材料和工程技術(shù)上都有極大發(fā)展。如今，復(fù)合土工膜在作為土石壩防滲材料，運(yùn)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)日趨成熟，具備強(qiáng)大的潛力。復(fù)合土工膜防滲具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、防滲效果好、節(jié)省工程投資、加快工期等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)土石壩的變形而對(duì)防滲效果不產(chǎn)生太多的負(fù)面影響，在確保設(shè)計(jì)合理、施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下，可以安全可靠地運(yùn)行，可以大范圍推廣，前景十分廣闊。

[1]《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBT 50290-2014）.

[2]《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SLT225-1998）.

[3]水工設(shè)計(jì)手冊(cè)·第二版，中國(guó)水利水電出版社.

[4]《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994：45～92.

[5]顧淦臣.土工膜用于書(shū)庫(kù)防滲工程的經(jīng)驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展，2009，29（6）：34～38.

TV49

A

1004-7344（2016）29-0150-02

2016-10-3

漆鶴（1985-），男，漢族，工程師，本科，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。